Solar RRL:黑磷纳米片——新型太阳能海水蒸发器

虽然水资源覆盖了全球约75%的面积,但其96.5%分布在海洋,剩余部分包含无法取用的冰川和高山顶上的冰冠,以及在盐碱湖和内海的水量,人类可使用的饮用水资源仅占0.325%。而随着社会经济发展,水资源被农业与工业破坏污染,淡水资源已严峻短缺。作为地球上最广泛的水资源,从海水中提取淡水是最佳的解决方案。目前,海水淡化研究主要采用海水冻结法、电渗析法、蒸馏法、反渗透法、以及碳酸铵离子交换等方法。而上述工艺共同面临了高能耗的成本问题,限制海水淡化的工业化发展。太阳能作为地球上最丰富的能源,若将太阳能与海水淡化技术结合,可低成本地从海水中获取淡水资源,这将是缓解水资源紧缺的有效途径。

太阳能界面加热技术能够有效避免热量扩散至水体,从而具有高的海水淡化效率。越来越多的研究利用碳材料、半导体、金属等材料具有光热转化能力的特点,将其应用于太阳能海水淡化。黑磷纳米片作为一种直接带隙的半导体材料,其能带带隙随片层厚度可调(0.3-1.5eV),具有较高的光吸收效率和光热转化性能。当太阳能中入射光子能量大于黑磷能带带隙时,黑磷纳米片会产生电子空穴对。随后通过热弛豫过程,带隙基准上的电子空穴对弛豫到带边并且将多余的能量转化为热能。基于黑磷纳米片这一特性,该研究团队制备了基于黑磷纳米片的太阳能海水蒸发器。首先利用水相超声的方法在剥离黑磷纳米片的同时在其表面引入缺陷,从而获得负电荷的表面电势。之后利用层层自组装技术(静电作用力驱动)在聚氨酯软泡表面交替沉积负电荷的黑磷纳米片与正电荷的壳聚糖,制备方法环境友好。研究结果表明在太阳光辐照强度为1.0kW/m2时,干燥状态下蒸发器的顶部温度在3 min 中达到72.3 oC。作为界面加热器放置在水面时,水蒸发速率达到1.082 kg*m-2*h-1。无论在干燥状态下的光热转化测试和水蒸发测试中,黑磷纳米片均具有优异的稳定性。而以海水为测试对象时,黑磷纳米片太阳能海水蒸发器的蒸发速率为0.9178 kg*m-2*h-1,金属离子移除率则高达99.9%。该研究首次报道了黑磷纳米片在太阳能海水淡化方面的应用,为海水淡化领域提供了一种新型高效材料。相关工作发表在Solar RRL (DOI:10.1002/solr.201900537) 上。